Пути снижения удельного давления колесных движителей на почву

Введение. Одним из основных условий развития сельскохозяйственного производства является повышение уровня экологической безопасности и потенциальной урожайности почв. Интенсификация земледелия привела к значительному повышению количества технологических операций, выполняемых машинно-тракторными агрегатами [1–4].

Так, за период выращивания зерновых культур выполняется от 8 до 15 механизированных операций, для пропашных – от 20 до 25 ^{[5, 6]}. Суммарная площадь следов движителей сельскохозяйственных машин составляет от 100 до 200 % площади поля ^{[5, 6]}.

Установлено, что наибольшей продуктивности растения достигают при определенных рациональных значениях плотности почвы, которая для различных типов почв и сельскохозяйственных культур разная.

В сельскохозяйственном производстве все шире применяются технологии, основанные на многократных проходах по полю все более мощных и тяжелых машинно-тракторных агрегатов. За последние 15-20 лет единичная мощность тракторов увеличилась в 1,5-3 раза, а их масса - в 2-3 раза, при увеличении массы сельскохозяйственных машин в 1,5 раза. В результате многократных проходов тракторов и машин суммарная площадь их следов на поле превышает площадь самого обрабатываемого участка до 1,5-2 раз. Особенно резко возросли нагрузки с применением энергонасыщенных тракторов, что привело к переуплотнению почвы.

Разрушение структуры верхних и уплотнение нижних слоев почвы отрицательно сказывается на плодородии почвы и урожайности сельскохозяйственных культур. Возникла реальная опасность нарушения природного экологического баланса не только пахотного горизонта почвы, но и всей окружающей среды из-за загрязнения водоемов смытой почвой токсичными веществами, остатками минеральных удобрений и пестицидов.

Для снижения уплотняющего воздействия ходовых систем на почву устанавливают сдвоенные шины (рис.1), давление в них снижают до минимально возможного.

Рис. 1. Трактор ХТЗ-17221-09 на сдвоенных шинах 28,1R26

Одним из недостатков является сложность эксплуатации трактора со сдвоенными колесами в транспортном режиме на твердом (асфальтном) покрытии дорог общего назначения.

Вопросами влияния ходовых систем колесных тракторов на почву, определением параметров ходовых систем занимались Бобровник А. И. Гориков Ю. Г. Щитов С. В. Ким Ю. А., Белокуренко С. А., Лапынин Ю. Г., Козлов Д. Г. [7–13].

Установлено, что в условиях интенсификации сельскохозяйственного производства много­кратные проходы технологических и транспортных машин по полю приводят к переуплотнению и разрушению структуры почвы, что ведет к ухудшению ее агрофизических и механических свойств, повышению объемной массы, снижению аэрации, водопроницаемости, подавлению микрофлоры, развития эрозионных процессов, снижению плодородия и, в конечном итоге, уменьшению сбора урожая.

Последствия переуплотнения почвы движителями тракторов определяются характеристиками почвы во время воздействия на нее и главным образом максимальным контактным давлением.

На рисунке 2 показано какое давление на почву оказывают различные виды движителей.

Рис. 2. Давление на почву различными видами движителей

По данным ^[16] повышенное внутреннее давление воздуха в шинах трактора МТЗ-5 увеличивало давление на почву и приводило к снижению урожая яровой пшеницы: на 2,2% при внутреннем давлении 0,08 МПа, на 34,1% при 0,15 МПа, на 48,6 % при 0,35 МПа. При многократных проходах движителей по одному следу резко увеличивается уплотняющее воздействие на почву, существенно ухудшается вводно-воздушный режим, что угнетает рост и развитие растений и снижает урожай ^[15]. Для обоснования допустимых уровней давления на почву используется ряд критериев ^[16].

Для борьбы с чрезмерным уплотняющим воздействием на почву движителей сельскохозяйственных тракторов и машин было предложено и исследовано большое число конструктивных решений и технологических приемов. Давно замечено, что максимальное напряжение на поверхности контакта шины с почвой зависит от давления воздуха в шине. Поэтому при снижении давления в шинах трактора К-700А с 0,17 до 0,09 МПа максимальное напряжение в почве уменьшается на 45–50 %, а также снижается его неравномерность по всей контактной площади ^[17] как по продольной, так и по поперечной осевой линии следа.

Для снижения уплотняющего воздействия ходовых систем на почву и повышения тягово-сцепных качеств и проходимости устанавливают сдвоенные шины на трактор^[18]. При этом глубина следа на 25–­­­­30% меньше, чем у аналогичных машин, но все же несколько больше, чем гусеничных. После прохода трактора на сдвоенных колесах плотность почвы меньше на 0,02–0,06 г/см , чем после прохода с одинарными колесами ^[19].

С применением систем сдвоенных колес имеющих возможность регулирования площади контакта с почвой для работы в разных режимах эксплуатации отпадает необходимость в использовании дорогостоящих гусеничных тракторов.

Наиболее существенное влияние на урожай сельскохозяйственных культур оказывает плотность почвы, от которой зависит весь комплекс агрофизических показателей. Многочисленными исследованиями установлено, что наивысшей урожайности сельскохозяйственные культуры достигают при оптимальном значении плотности ^{[14, 15]}.

Анализ исследований и публикаций относительно переуплотнения почвы ходовыми системами сельскохозяйственной техники позволил установить, что решение задачи снижения удельного давления колес тракторов на почву связано с комплексом мер, направленных на совершенствование движителей, воздействующих на нее.

Цель исследования. Снижения удельного давления колес тракторов на почву, путем совершенствования движителей ходовых систем.

Материалы и методы. Применение сдвоенных колес снижает удельное давление на почву, что в 1,5-2 раза уменьшает степень уплотнения по следу колеса, повышает проходимость агрегатов при повышенной влажности и увеличивает тяговую способность техники. С такими колесами увеличивается грузоподъемность, что позволяет достигать высокой производительности в работе.

Дополнительно уменьшить удельное давление колеса на почву и увеличить тяговую способность можно увеличив пятно контакта с почвой за счет равномерного распределения и снижения давления воздуха в сдвоенных колесах в пределах минимально допустимого ^[20].

Поставленная задача решается таким образом:

1. Для эксплуатации транспортного средства в транспортном режиме и эксплуатации по дорогам с твердым покрытием (рис. 3) требуется понизить давление воздуха во внешних колесах до минимально допустимого значения (0,6 атм.) для данного типа шин либо ниже этого значения. Давление внутренних колес остается номинальным (1,2 атм).

Уменьшить потерю мощности в трансмиссии в транспортном режиме возможно за счет уменьшения пятна контакта колес с почвой, для этого требуется увеличить давление воздуха в шинах внутренних колес в пределах максимально допустимого. При этом даже при предельно низких давлениях в шинах внешних колес их разрушения вследствие повышенных деформаций не происходит, поскольку такие деформации ограничены деформациями шин внутренних колес, которые при высоких давлениях воздуха деформируются незначительно.

Рис. 3. Давление в шинах в транспортном режиме

2. Для эксплуатации транспортного средства в рабочем и тяговом режимах (рис.4) требуется уменьшить давление воздуха в шинах внутренних колес до уровня, который не ниже минимально допустимого (0,6 атм.) уровня давления для данного типа шин, при этом давление воздуха в шинах наружных колес необходимо увеличить настолько, чтобы давление в парах колес было одинаковым. Таким образом, осуществляется возможность регулирования площади контакта колес с почвой для работы в разных режимах эксплуатации.

Рис. 4. Давление в шинах в рабочем и тяговом режимах

Результаты и обсуждение. Проведены экспериментальные исследования по определению показателей изменения физических свойств почвы после воздействия на нее движителей тракторов ХТЗ-17221-09, ХТЗ-17221-09 на сдвоенных шинах 28,1R26 (в тяговом режиме) , ХТЗ Т-150.

Эксперимент заключался в том, что тракторами ХТЗ-17221-09, ХТЗ-17221-09 на сдвоенных шинах 28,1R26 с возможностью регулирования площади контакта с почвой на ходу для работы в разных режимах эксплуатации, и ХТЗ Т-150 были накатаны следы с числом проходов 10. После этого на каждом участке были взяты образцы для определе­ния тех изменений, которые произошли в характеристике фи­зико-механических свойств почвы. Следует отметить, что плотность твердой фазы практически не изменялась, а влажность изме­нилась незначительно, вследствие чего эти показатели в дальнейшем из анализа исключены. Основное внимание было обраще­но на изменение плотности почвы.Данные, показывающие изменение физико-механических свойств почвы в колее при различном числе проходов (табл.1.), свидетельствуют о том, что уже первые два прохода увеличивают плотность верхнего горизонта поч­вы на 10%, а слоя в 15 см - на 7%. По мере увеличения числа проходов возрастает плотность как верхнего пятисантиметрового го­ризонта, так и всего слоя толщиной 15 см.

Таблица 1

Плотность почвы в зависимости от числа проходов

Определение плотности почвы непосредственно после уплотнения ходовыми системами тракторов с колесными и гусеничными движителями показывает, что наибольшая деформация по следу происходит после первого прохода. Поворотные проходы при этом же следе меняют плотность почвы хотя и существенно, но несколько в меньшей степени. Наибольшая деформация после проходов тракторов обнаружена в пахотном слое и особенно заметна в корневом слое. Прирост плотности в слое 0−10 см после трех проходов трактора ХТЗ-Т-150 составляет 17%, ХТЗ-17221-09 на сдвоенных шинах 28,1R26 18%, а после трех проходов трактора ХТЗ-17221-09 без сдваивания колес – 24%.

Уплотнение почвы уменьшается с глубиной, об этом свидетельствует прирост плотности на величину от 3 до 9% в слое 10−20 см и от 1 до 5% в слое 20−40 см. Еще большую деформацию почвы вызывают многократные проходы тракторов по полю. Так, после десяти проходов трактора ХТЗ-17221-09 плотность в слое почвы 0−40 см достигала 1,9 г/см³.

Вывод. Прирост плотности в слое 0−10 см после трех проходов трактора ХТЗ-Т-150 составляет 17%, ХТЗ-17221-09 на сдвоенных шинах 28,1R26 с возможностю регулирования площади контакта с почвой 18%. Этот факт дает основание пологать, что применение систем сдвоенных колес с возможностью регулирования площади контакта с почвой, увеличивает эффективность работы в разных режимах эксплуатации (транспортном, рабочем, тяговом), с возможностью отказа от использования дорогостоящих гусеничных движителей.